压差对采空区空气微流动场影响的模拟研究

罗聪亮，　王海桥,2，　陈世强,2，　彭　荧，　李轶群,2

(1. 湖南科技大学 能源与安全工程学院, 湖南 湘潭 411201；2. 湖南科技大学 湖南省矿山通风与除尘装备工程技术研究中心, 湖南 湘潭 411201)



压差对采空区空气微流动场影响的模拟研究

罗聪亮1，王海桥1,2，陈世强1,2，彭荧1，李轶群1,2

(1. 湖南科技大学 能源与安全工程学院, 湖南 湘潭 411201；2. 湖南科技大学 湖南省矿山通风与除尘装备工程技术研究中心, 湖南 湘潭 411201)

采煤工作面两端压差是影响采空区空气微流动的一个重要参数，为研究U型工作面采空区微流动场在工作面两端压差变化情况下的分布规律，运用GAMBIT建立采空区多孔介质模型，应用流体力学软件FLUENT模拟不同压差下采空区的空气流场。研究表明，随着工作面两端压差的增加，漏风流场宽度加大，并且压差对采空区进风巷和回风巷处的漏风流场分布规律影响较大，对中部漏风流场的分布规律影响较小；同时，压差的变化也会对采空区深部的气体造成微小的流动，产生“呼吸”、“吞吐”效应。

采空区； CFD； 空气微流动； 压差

采空区是煤体开采后留下的半封闭多孔介质空间，采空区的空气流动与瓦斯涌出及遗煤氧化自燃有密切关系[1-2]。如果工作面通风一直是一种稳定状态，采空区深部瓦斯将相对静止。采空区内部瓦斯浓度的变化，主要是依靠分子扩散及由于浓度梯度引起的浓度差扩散。实际上，矿井通风系统存在动态性。通风系统动态变化，会造成风流脉动，使工作面通风系统风压、风量发生一系列变化，采空区产生的“呼吸效应”，直接影响采空区气体交换[3]。

U型工作面采空区气体流动可以分为两个区：一是扩散流动区，风流沿进风巷进入工作面，一部分风流经过工作面进入工作面回风巷，另一部分由于射流惯性和扩散作用，风流流经靠近工作面的采空区后，进入工作面回风巷，扩散流动区的范围大小主要由进风巷风速及工作面后方采空区冒落与压实情况决定；二是微流动区，微流动区气体流动主要是工作面通风压力的变化产生的呼吸、吞吐效应，以及煤氧化热产生温差扩散和浓度梯度扩散流动，其中以采空区内外压力差变化导致的微流动为主。为了研究动态通风情况下采空区空气流动规律，笔者应用计算流体力学软件，研究工作面两端压差变化下采空区的空气流场和压力场。

1　采空区计算模型与边界条件

1.1采空区物理模型的建立与网格划分

根据某煤矿工作面的实际情况，建立U型通风条件下的物理模型，具体模型尺寸如下：进回风巷道长30.0 m、宽4.0 m、高3.5 m，工作面巷道长100.0 m、4.0 m、高3.5 m，采空区长200.0 m、宽100.0 m。根据网格划分的基本原则，使用建模工具GAMBIT在笛卡尔坐标系(坐标原点在进风巷左下角)下建立二维模型并对其进行网格划分，采空区物理模型主要分为进回风巷道及工作面和采空区两个区域，对两个区域采用分块生成结构网格的方法进行网格划分。对进回风巷道及工作面采用网格间距为0.5 m进行结构网格划分；采空区网格间距1.0 m进行网格划分。

1.2数学模型

气体在多孔介质中流动遵守质量守恒、能量守恒及动量守恒定律，且包含不同组分的混合、传质，其还必须遵守组分守恒定律，控制方程是这些守恒定律的数学描述，采空区气体流动主要遵循以下几类控制方程[4]。

(1)连续性方程

(1)

式中：u、v——速度矢量在x、y方向的分量，m/s；

sm——质量源项。

(2)动量守恒方程

对于层流来说，采空区多孔介质内流动的动量守恒方程可简化为达西定律[5]，即

(2)

式中：v——渗流速度，m/s；

K——渗透率，m2；

μ——流体动力黏性系数，Pa·s；

▽p——渗流压力梯度，Pa/m。

当渗流中流体惯性力相比黏性力不能再被忽略时，多孔介质中渗流将进入非线性渗流阶段[6]。此时满足非线性渗流方程

(3)

式中：J——水力梯度，J=-Δh，

h——压头，Pa；

ν——流体运动黏性系数，m2/s；

g——重力加速度，9.81 m/s2；

q——比流量，m/s；

dm——多孔介质颗粒的平均直径，m；

β——几何形状系数；

n——孔隙率，无因次。

(3)组分质量守恒方程

(4)

式中：φs——组分s的体积分数，%；

ρs——该组分的密度，kg/m3；

Ds——该组分的扩散系数；

ss——该组分质量源项。

1.3边界条件

由于通风系统的动态性，工作面外部通风系统变化会导致工作面风压和风量的变化；另外，工作面推进过程，工作面风阻也会变化，定义边界条件如下：

(1)进风巷入口设定为速度入口(velocity-inlet)，且工作面通风量不低于800 m3/min，分别取入口速度为0.95、1.20和1.43 m/s，此时对应的工作面两端压差为38、58和78 Pa。

(2)回风巷出口设定为压力出口(pressure-outlet)。

(3)根据矿山压力研究，沿采空区走向方向，距离工作面越远，垮落岩石压实程度越大，孔隙率越小[7]。从工作面后部向采空区深部方向，把距工作面40 m内的区域定为自然堆积区对应前面划分的扩散流动区，取孔隙率为0.4，40 m以后为载荷影响区和压实稳定区对应前面划分的微流动区，取孔隙率为0.2。

2　模拟结果与分析

当工作面两端压差Δp分别为38、58和78 Pa时，对应的静压场见图1。采空区速度分布见图2。

a　Δp=38 Pa

b　Δp=58 Pa

c　Δp=78 Pa

由图1三组静压分布可以看出，随着工作面两端压差由38增大至58或者78 Pa，采空区进风巷侧的静压值随之增大，且采空区深部静压值受工作面两端压差影响较小，靠近工作面处的采空区静压值更易受两端压差影响。

由图2三组速度分布以及图3采空区深部的速度分布曲线可以看出，采空区漏风主要是由进风巷附近漏入，且漏风带的宽度和漏风风速随工作面两端压差增大而增大。采空区两道处的漏风比较严重，且沿工作面向采空区深部方向，距离工作面越远，采空区风速越小，最后趋向于0。

图4a是三组压差下进风侧采空区的静压分布曲线，可以看出采空区40 m内的区域(对应前面的扩散流动区)的静压值变化的更快，采空区40 m后的区域(对应前面的微流动区)的静压值变化的较缓。图中曲线在x=40 m左右处存在一个凹点，产生这种情况的主要原因是采空区孔隙率的分布不均，矿压作用下采空区中后部会较快进入压实区，渗透性大幅下降。

a　Δp=38 Pa

b　Δp=58 Pa

c　Δp=78 Pa

图4b为工作面中部采空区静压曲线。可以看出该曲线较为平缓，这表明工作面中部采空区静压受工作面两端压差影响较小。

图4c为回风巷侧采空区静压曲线。可以看出在回风巷侧，采空区前30～40 m内的静压值小于采空区深部的静压值，运用气体能量方程(忽略位压)

(5)

式中:p1、p2——采空区两点1、2的相对压强，Pa；

p1-2——两点之间的压强损失，Pa。

如果1为回风巷某点，2为该侧采空区内某点，由静压云图和静压曲线可知，p1小于p2，此时该侧气体会在压差驱动下由采空区流向工作面回风巷；同理，如果1为进风巷某点，2为该侧采空区内某点，此时p1大于p2，气体会由进风巷流入采空区。

图3　y=50 m处采空区速度分布

a　y=2 m

b　y=50 m

c　y=98 m

由上面三组静压曲线图可以看出采空区前40 m的扩散流动区，静压值变化较大，该区域主要是由进风巷处空气的射流惯性和扩散作用引起的流动；而40 m后的微流动区域，静压值几乎不变化，此时该区域的气体流速很小或相对静止。当工作面两端压差增大或减小时，微流动区域静压也会发生细微的变化，此时该区域的气体会在微小压差的驱动下，产生微小的流动，或流向采空区，或流向工作面，产生“呼吸”、“吞吐”效应。

3　结　论

(1)通风动态性会引起U型通风工作面两端压差变化，导致采空区内压力的变化。

(2)采空区就像一个气囊，外界压力增大时，高于采空区内部压力，则进一步充气，即向采空区压入风流；外界压力变小时，低于采空区内部压力，则气体体积减压增大，即采空区气体减压膨出。

(3)外界压力变化，使采空区内外压力振荡，产生压差，形成“呼吸”、“吞吐”效应，使采空区内形成缓慢对流的微流动，不断与外界空气进行交换，置换出采空区其他气体，缓慢地给氧化自燃提供所需的氧气。

(4)研究动态通风情况下的采空区风流和静压分布情况，对研究采空的遗煤自燃和瓦斯积聚及涌出有积极的意义。

[1]DENG J, LUO Z, WU X C, et al. Explosive limits of mixed gases containing CH4,CO and C2H4in the goaf area[J]. Mining Science & Technology, 2010, 20(4): 557-562.

[2]BALUSU R, TUFFS N, WHITE D. Surface goaf gas drainage strategies for highly gassy long wall mines[J]. Journal of the Mine Ventilation Society of South Africa, 2006, 59(3): 78-84.

[3]李永存， 林爱晖， 王海桥， 等. 风流脉动下采空区流声数值模拟与实验研究[J]. 中国工程科学， 2008 10(2)： 41-45.

[4]时国庆, 王德明, 仲晓星, 等. 综放面采空区氧化带分布规律的CFD模拟[J]. 采矿与安全工程学报, 2010,27(4):568-571.[5]车强. 采空区气体三维多场耦合规律研究[D]. 北京：中国矿业大学, 2010.

[6]章晓伟, 王海桥, 陈世强, 等. 方形与圆形管道内多孔介质渗流的实验研究[J]. 黑龙江科技大学学报, 2015, 25(5): 489-492.[7]武晓敏, 芮国相, 张华. U型和U+L型通风采空区流场数值模拟研究[J]. 矿业安全与环保, 2015(3): 24-27.

(编辑徐岩)

Simulation on effects of micro-flow air in goaf on changing pressure differences

LUOCongliang1,WANGHaiqiao1, 2,CHENShiqiang1, 2,PENGYing1,LIYiqun1, 2

(1.School of Mining & Safety Engineering, Hunan University of Science & Technology, Xiangtan 411201, China;2.Hunan Province Engineering Research Center of Mine Ventilation & Dust Removal Equipment,Hunan University of Science & Technology, Xiangtan 411201, China)

This paper arises from the deeper understanding that the pressure difference at both ends of coal mining face holds an important parameter affecting the air flow in goaf. The study aimed at investigating the law underlying how a micro-flow field distributes in goaf of U-shaped working faces exposed to the changing pressure at both ends of working face, produces the porous media model of goaf using GAMBIT, and simulates the air flow field in the goaf under the pressure change using the hydrodynamics software FLUENT. The study shows that along with an increase in pressure difference comes a wider air leakage zone; and the pressure differences have a great influence on the distribution law behind the air leakage flow field of the goaf intake airflow roadway and return airway, but a little effect on the law governing the air leakage flow field on the middle part; and at the same time, pressure changes can cause the micro-flow of gas in deep goaf, with consequent breathing and throughput effects.

goaf; CFD; micro-flow of air; pressure difference

2015-12-09

国家自然科学基金项目(U1361118)；湖南省自然科学基金项目(2015JJ2061)

罗聪亮(1991-)，男，湖南省衡阳人，硕士，研究方向：地下通风与空调工程，E-mail: 806015550@qq.com。

简介： 王海桥(1962-)，男，湖北省武汉人，教授，博士，研究方向：工业通风与空气洁净技术，E-mail:hqwang1962@126.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.01.001

TD721; O357.3

2095-7262(2016)01-0001-04

A